畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-減振鏜刀的設(shè)計(jì)與分析（全套圖紙）

中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書減振鏜刀的設(shè)計(jì)與分析學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 系 別： 機(jī)械工程系專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師： 職稱： 副教授 2016年6月2日II原 創(chuàng) 性 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本文不包含其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 使 用 授 權(quán) 聲 明 本人完全了解中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院有關(guān)保管、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的規(guī)定，其中包括：學(xué)院有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的原件與復(fù)印件；學(xué)院可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書；學(xué)院可允許畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書被查閱或借閱；學(xué)院可以學(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈(zèng)送和交換畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書；學(xué)院可以公布畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的全部或部分內(nèi)容。 作者簽名： 日期： 導(dǎo)師簽名： 日期： 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2016屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書全套圖紙加153893706減振鏜刀的設(shè)計(jì)與分析摘要:我國工業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)處于蒸蒸日上的狀態(tài),加工生產(chǎn)也在不斷地創(chuàng)新和改進(jìn)，作為加工中必不可少的深孔加工環(huán)節(jié)，其技術(shù)也在日益進(jìn)步。但是深孔加工中振動(dòng)的問題也隨之而來，加工中產(chǎn)生的振動(dòng)不僅使得加工精度降低，還使得生產(chǎn)效率也大打折扣。為此，減振成了現(xiàn)在必須要克服的難題。內(nèi)置減振系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)的一種鏜刀的減振方法，它是通過在鏜刀桿的內(nèi)部加減振塊，橡膠圈，阻尼液等元件來達(dá)到理想的減振效果。這種設(shè)計(jì)不僅沒有改變鏜桿原有的外觀形狀，還在一定程度上減少了振動(dòng)帶來的不便，是一種使用前景非常廣闊的設(shè)計(jì)方式。本篇設(shè)計(jì)先講述了國內(nèi)外現(xiàn)有減振鏜桿的狀況，通過分析、參考來確定最終采用的設(shè)計(jì)方式。其次介紹了在加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)的不同種類和產(chǎn)生的機(jī)理，為設(shè)計(jì)提供一些必要的參考材料。然后再選擇減振鏜桿中所需的每個(gè)部件，在對(duì)不同部件做出不同的分析，最后再將這些部件做出動(dòng)力學(xué)模型，再整合出最終的數(shù)學(xué)模型。為實(shí)際的加工生產(chǎn)提供一些參考。關(guān)鍵詞：減振；鏜桿；深孔加工；剛度II中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2016屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書Design and analysis of vibration boring cutterAbstract : Now our industry is in a flourishing state, production is constantly innovating and improving, as an essential part of the processing of deep hole machining technology is also in progress. Vibration problems in the deep hole machining also come, lower vibration produced not only makes the machining accuracy in the processing, but less productive. To this end, now has to overcome the problem of vibration reduction. Built-in vibration reduction system is a simple structure, easy to produce a boring tool vibration method, it is by boring bar internal and vibration damping, and the rubber ring, the vibration damping elements such as liquid to achieve the desired effect. This design not only failed to change the boring bar is the original appearance of the shape, but also to a certain extent, reduce the inconvenience of vibration, is a very broad prospects for use of design.Absorption boring bar, through analysis, to determine the final reference design. Next introduced the vibration produced during processing of different kinds and the mechanism, is designed to provide the necessary reference materials. Then the vibration absorption boring bar for each component in different parts and different analysis, then make them dynamic model in the integration of the final model. Provide your reference for actual production.Key words : vibration; boring bars; deep holes; stiffnessII目 錄摘要IAbstractII目錄III1 緒論11.1 課題背景及研究意義11.2 減振鏜桿的國內(nèi)外研究成果與發(fā)展的趨勢(shì)21.3 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)61.4 小結(jié)62 振動(dòng)的機(jī)理分析和不同的減振措施72.1 切削中振動(dòng)的分類及產(chǎn)生的原因72.2 減振的主要原則82.3 控制機(jī)械加工振動(dòng)的途徑92.3.1 消除或者減弱發(fā)生振動(dòng)的條件92.3.2 改良工藝系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)特性102.3.3 選用減振裝置  103 減振鏜桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)173.1 減振鏜刀的桿材料選擇173.2 鏜桿的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)173.3 冷卻管的設(shè)計(jì)183.4 減振裝置的組成元件193.4.1 阻尼夜的選取193.4.2 彈性元件的選擇203.4.3 減振塊的選擇233.5 減振鏜桿內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)243.6 刀頭的設(shè)計(jì)254 動(dòng)力減振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型264.1 動(dòng)力減振鏜桿系統(tǒng)的力學(xué)模型264.2 建立動(dòng)力減振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析模型29III4.3 建立動(dòng)力減振鏜桿的數(shù)學(xué)模型294.4 本章小結(jié)295 結(jié)論與展望305.1 全文總結(jié)305.2 展望30參考文獻(xiàn)32致謝34IV中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2016屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1 緒論1.1 課題背景及研究意義現(xiàn)今,制造業(yè)的發(fā)展已成為社會(huì)進(jìn)步的標(biāo)準(zhǔn),加工中的高速和超高速加工現(xiàn)已成為主流趨勢(shì),企業(yè)對(duì)加工精度的標(biāo)準(zhǔn)和要求也越來越高,在金屬切削這塊加工領(lǐng)域里,特別是在高速加工深孔的時(shí)候，由于孔的形狀要求和精度要求比較高,因此刀具加工產(chǎn)生的振動(dòng)一直是阻礙加工精度的最大障礙之一，它的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了零件的加工精度與表面的粗糙度,阻礙了切削加工向著高速度、高精度和高強(qiáng)度方向的發(fā)展。其產(chǎn)生的原因有很多。例如，加工中不斷變化的切削力，工件加工中裝夾不穩(wěn)定等。其次當(dāng)鏜桿的懸伸量比較大時(shí),就更加容易發(fā)生振動(dòng),進(jìn)而使孔的加工精度降低。雖然，有很多辦法來控制這些相關(guān)的問題，但是，由于長懸伸量刀具加工產(chǎn)生的巨大振動(dòng)，不得不通過減少加工時(shí)的軸向切削深度與進(jìn)給量來避免，這也將對(duì)金屬的去除率產(chǎn)生較大的影響。因此,我們有必要仔細(xì)研究機(jī)械刀具加工中振動(dòng)發(fā)生的原因以及其預(yù)防和控制的方法,從而降低甚至消除加工中的振動(dòng)。 從生產(chǎn)和加工的實(shí)際應(yīng)用和價(jià)值來講,減振鏜刀的設(shè)計(jì)和研發(fā)有助于我國切削制造業(yè)的發(fā)展。我國作為世界的“制造中心”。零件整體化加工已成為趨勢(shì),深孔加工已是機(jī)械加工中的重中之重。雖然我國的很多企業(yè)在這方面做了不少的研究,但產(chǎn)生的效果卻均不是很理想,與國外的研究水平還有比較大的差距,因此我國在生產(chǎn)制造業(yè)這條漫長的征途上還有很多道路需要走。另外有些大長徑比的零件,一般的刀具達(dá)不到其理想的精度要求。但是如果要采用相符的刀具就需要考慮它的剛度穩(wěn)定性。目前我國比較穩(wěn)定的產(chǎn)品并不多,還需要大量引進(jìn)國外生產(chǎn)的刀具,這就使得我國零件加工成本變得很高。因此，減振刀具的開發(fā)與研究現(xiàn)已經(jīng)成為我國切削加工行業(yè)目前急需解決的重大問題，解決了這個(gè)問題就可以帶動(dòng)我國其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,進(jìn)而提高我國機(jī)械行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。 1.2 減振鏜桿的國內(nèi)外研究成果與發(fā)展的趨勢(shì)切削振動(dòng)較容易發(fā)生在剛度較低的加工中，所以，在加工中為了減少振動(dòng)的產(chǎn)生，通常應(yīng)加強(qiáng)鏜桿的靜剛度或者動(dòng)剛度。當(dāng)需要加工一般刀具無法加工的深孔時(shí)，往往需要用到長懸伸量刀具，而減振刀具成為了最佳的選擇。當(dāng)然，這些新型刀具在國外也有著許多的應(yīng)用。通過了解國內(nèi)外的減振刀桿，總的來說，是比較緩慢的。但也有設(shè)計(jì)比較成功的案例，比如說日本的三菱（MITSUBISHI）,東芝（TOSHIBA）,瑞典的山特維克（SANDVIK）,美國的肯納（KENAMETAL）公司等。圖1-1 三菱阻尼鏜刀桿Fig.1-1 Damping boring cutter of MITSUBISHI圖1-2 三菱阻尼鏜刀桿Fig.1-2 Damping boring cutter of MITSUBISHI其中，三菱公司刀具的設(shè)計(jì)理念是對(duì)刀頭進(jìn)行了優(yōu)化的設(shè)計(jì)，就是利用軟件來模擬最終確定刀頭的重量，主要是減輕鏜桿頭部的重量，防止了撓曲，加強(qiáng)了鏜桿的動(dòng)剛度，使振動(dòng)變?nèi)酢Ｈ鐖D1-1和1-2所示。站在材料力學(xué)的角度上來看，這種刀具是運(yùn)用了桿端部應(yīng)力邊緣效應(yīng)。當(dāng)鏜刀桿受到偏心力的時(shí)候，可從刀頭減去一些材料，這樣既減輕了鏜刀刀頭的重量，靜剛度也沒受到多大影響，還改善了鏜桿的動(dòng)剛度。圖 1-3 三菱阻尼鏜刀刀桿減振效果Fig.1-3 Vibration reduction effect of damping boring cutter of MITSUBISHI三菱刀具的設(shè)計(jì)依舊存在一些缺憾，頭部切除材料的辦法也存在局限性，影響長徑不能較大。圖1-3顯示的是刀桿預(yù)防撓曲還有減少振動(dòng)的效果圖。東芝公司制作的減振刀具原理是將刀具的頭部，找一處平行且相互對(duì)稱的的地方，去除掉一部分，然后在此處在嵌上堅(jiān)硬的材料。但也由于這種方法產(chǎn)生了不少的弊端，如鑲嵌材料的剛度值，厚度值，以及在與刀體連接時(shí)的粘結(jié)穩(wěn)固性，精密性，都會(huì)對(duì)刀體整體上的產(chǎn)生影響，所以也會(huì)在應(yīng)用上受到一些限制。如圖下圖1-4所示: 圖1-4 東芝減振刀具Fig.1-4 Damping boring cutter of TOSHIBA 被大多數(shù)生產(chǎn)商看好的是山特維克可樂滿的Silent Tools 系列，它不光有減振效果，最突出的是能夠提高生產(chǎn)效率。如圖1-5所示圖1-5 山特維克減振刀具Fig.1-5 Vibration Absorption tool of SANDVIK 這類刀具能夠消除最小化的振動(dòng)，它的內(nèi)部安裝了一個(gè)減振機(jī)構(gòu)。該刀具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝有一個(gè)回轉(zhuǎn)體，周圍被特殊液體環(huán)繞。該體統(tǒng)還能在超出一定限制時(shí)，進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)。美國kenametal公司生產(chǎn)的減振刀具主要采用特殊的材料制成,也屬于提高刀桿靜剛度的一種1。1.3 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)目前我國的減振鏜桿還處于研究、開發(fā)階段，設(shè)計(jì)的中心還在工藝的改良上?？捉鹦?，對(duì)刀具振動(dòng)是深孔加工中影響精度，效率等的首要原因提出了問題。對(duì)不同類型的減振鏜桿，運(yùn)用模態(tài)實(shí)驗(yàn)方法來測(cè)試出動(dòng)態(tài)特性，最終得出固有的振型與模態(tài)參數(shù)，為減振鏜桿的研制開發(fā)提供了參考。沈陽工業(yè)學(xué)院的張志軍，測(cè)定并且推導(dǎo)出了動(dòng)力減振器的特性參數(shù)，對(duì)大懸伸的減振鏜桿進(jìn)行了完善。北京工業(yè)大學(xué)的區(qū)炳顯和王民對(duì)國內(nèi)外減振鏜桿振動(dòng)的控制方法現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并且也分析了各種鏜桿減振措施的特點(diǎn)，還對(duì)以后鏜桿減振的發(fā)展進(jìn)形進(jìn)行了展望。1.4 小結(jié)綜合現(xiàn)有的研究成果可知:采取單一減振原理的鏜桿，其減振效果不是很理想, 我們應(yīng)該采用具有綜合性的減振措施才能取得較理想的效果。要想提高鏜刀桿的抗振效果,首先要提高鏜桿自身的動(dòng)剛度,其次還要增加鏜桿的系統(tǒng)阻尼,增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的吸收能力; 本人基于這種想法，于是在鏜桿中選擇加入減振系統(tǒng)來進(jìn)一步提高減振性能。鏜桿的減振系統(tǒng)按照耗能元件的不同，主要有動(dòng)力減振器、摩擦減振器、沖擊減振器等。在此本文選取動(dòng)力減振的方法來設(shè)計(jì)鏜刀桿。 2 振動(dòng)的機(jī)理分析和不同的減振措施想要保證加工生產(chǎn)中的精度，平穩(wěn)的過程是關(guān)鍵。但是，在實(shí)際的加工中總是產(chǎn)生各種各樣的問題，也會(huì)有來自系統(tǒng)本身的剛度條件不足,這便產(chǎn)生了振動(dòng)。它們的機(jī)理以及控制的條件也不盡相同。因此我們要對(duì)不同的振動(dòng)進(jìn)行不同的分析。2.1 切削中振動(dòng)的分類及產(chǎn)生的原因如下表2-1所示振動(dòng)分類振動(dòng)產(chǎn)生原因振動(dòng)波圖自由振動(dòng)自由振動(dòng)的產(chǎn)生是因?yàn)?，由刀具、工件與機(jī)床組成的加工工藝系統(tǒng)在產(chǎn)生加工中激發(fā)了脈沖性質(zhì)的干擾力，使得其產(chǎn)生。受迫振動(dòng)它產(chǎn)生的因素是，外界對(duì)系統(tǒng)施加了反復(fù)的力，進(jìn)而是系統(tǒng)產(chǎn)生了受迫振動(dòng)。自激振動(dòng)自激振動(dòng)的發(fā)生是因?yàn)橄到y(tǒng)自身振動(dòng)從而產(chǎn)生交變力，這種力就會(huì)引起自己振動(dòng)的產(chǎn)生。在整個(gè)系統(tǒng)中，不論外界是否有力，系統(tǒng)振動(dòng)，那么，它就會(huì)產(chǎn)生。2.2 減振的主要原則結(jié)合現(xiàn)有鏜刀減振的各種方法,減振的主要原則有以下幾點(diǎn): a) 選擇合適的切削參數(shù)與刀片的角度,盡可能把切削力減到最小；b) 增大鏜刀的系統(tǒng)，夾具，工件的靜剛度；c) 在原有刀具的內(nèi)部增加一個(gè)振動(dòng)來阻礙外界切削力的振動(dòng),進(jìn)而減弱刀具 的振動(dòng)。2.3 控制機(jī)械加工振動(dòng)的途徑2.3.1 消除或者減弱發(fā)生振動(dòng)的條件 1) 消除或者減小內(nèi)部振動(dòng) 高速回轉(zhuǎn)的零件在機(jī)床上必須滿足動(dòng)平衡要求；加強(qiáng)傳動(dòng)元件及傳動(dòng)裝置的制造精度和裝配精度，保證零件的傳動(dòng)平穩(wěn)；使動(dòng)力源和機(jī)床本身分離。2）調(diào)整振源的振動(dòng)頻率   通過改變零件之間的傳動(dòng)比，盡可能使引起強(qiáng)迫振動(dòng)的振動(dòng)源頻率遠(yuǎn)離機(jī)床系統(tǒng)加工薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率，避免兩者產(chǎn)生共振2。一般應(yīng)滿足 式中機(jī)床加工系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率； 激振力頻率。 3）采用隔振措施 所謂隔離，就是將振源所產(chǎn)生的一部分振動(dòng)被隔離裝置所吸收或者被隔離。隔振措施分為兩種，一種為主動(dòng)隔振，即阻止內(nèi)部振動(dòng)源通過地基外流；另一種為被動(dòng)隔振，即阻止外部干擾力通過地基傳送給機(jī)床。一般的隔振材料有橡皮、空氣彈簧、金屬彈簧、木屑等3。2.3.2 改良工藝系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)特性1) 提升工藝系統(tǒng)中的剛度要求 盡量加強(qiáng)工藝系統(tǒng)中比較薄弱環(huán)節(jié)的剛度，這樣對(duì)提高機(jī)床加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定的幫助。加強(qiáng)每個(gè)結(jié)合面的接觸剛度，向主軸支承添加載荷，向剛性比較差的工件添加輔助支承等這些措施都對(duì)提高工藝系統(tǒng)的剛度有一定的幫助。2) 加強(qiáng)工藝系統(tǒng)阻尼度  加強(qiáng)工藝系統(tǒng)中阻尼度，有很多措施去實(shí)現(xiàn)。如，高內(nèi)阻零件的使用，加大運(yùn)動(dòng)件之間的相對(duì)摩擦，在立柱、床身的內(nèi)腔里填充型砂，安裝阻振器于主振方向等。2.3.3 選用減振裝置  我們一般的減振裝置有阻尼式、動(dòng)力式、沖擊式和摩擦式減振器等三種裝置。 1）阻尼消振即對(duì)原系統(tǒng)增加阻尼從而降低振動(dòng)響應(yīng)。這里以單自由度振動(dòng)系統(tǒng)來舉例說明?？梢詫?dǎo)出振動(dòng)位移對(duì)激振力的傳遞函數(shù)見公式（2-1） (2-1)令,由式（2-1）可導(dǎo)出位移x對(duì)激振力f（t）的頻率特性G（）。其對(duì)應(yīng)的幅頻特性見公式（2-2） (2-2) 設(shè)激振力是簡(jiǎn)諧力，即,則位移振幅公式見（2-3） (2-3) 而當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)受到與力幅的常值力的作用大小相等，有靜態(tài)位移見公式（2-4） (2-4) 導(dǎo)出阻尼消振系統(tǒng)的動(dòng)力放大系數(shù)見公式（2-5） (2-5) 式中，g為頻率比，為振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼比，以阻尼比參數(shù)，分別取0，0.1，0.15，0.25，0.5，0.70，1.0并按式（2-5）用matlab繪制單自由度振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)激振f（t）的幅頻響應(yīng)曲線，如圖2-1所示 圖2-1 阻尼消振系統(tǒng)動(dòng)力放大系數(shù)幅頻曲線Fig.2-1 Damping system dynamic amplification coefficient of amplitude frequency curve2）動(dòng)力減振系統(tǒng)消振原理在工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的減振系統(tǒng)中動(dòng)力減振應(yīng)用較為廣泛。它的優(yōu)點(diǎn)在于只要增加少量的零件就能達(dá)到想要的減振效果。動(dòng)力減振系統(tǒng)的簡(jiǎn)易模型如圖2-2所示，假設(shè)彈簧的剛度是K、k、動(dòng)力減振系統(tǒng)的質(zhì)量為M、減振塊得質(zhì)量為m、主質(zhì)量位移為x1、消振器的位移為x2，不計(jì)阻尼的響應(yīng)，動(dòng)力減振系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為（2-6） (2-6) 式中，p（t）是主振動(dòng)系統(tǒng)中的激振力。消振器質(zhì)量位移與主振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)位移對(duì)激振力 p（t）的幅值特性公式為（2-7）圖2-2 動(dòng)力振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單模型Fig.2-2 A simple model of vibration system power （2-7)帶入?yún)?shù)導(dǎo)出消振器質(zhì)量位移與主振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量位移的動(dòng)力放大系數(shù)的解析式為（2-8） (2-8)當(dāng)主振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率無限趨近于激振力頻率的時(shí)候，這時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的共振現(xiàn)象。要抑制這種現(xiàn)象就需要調(diào)整消振器的固有頻率，就需等式（2-9） （2-9）將等式（2-9）帶入式（2-7），得消振器的振幅和主振動(dòng)系統(tǒng)的振幅分別為 (2-10) 由式（2-10）可知。當(dāng)激振力的頻率，消振器固有頻率兩者相等時(shí)，主振動(dòng)系統(tǒng)中的振幅就為0，這就說明主振動(dòng)系統(tǒng)是沒有產(chǎn)生振動(dòng)的。3）摩擦減振減振摩擦減振的設(shè)計(jì)原理指用摩擦阻尼的方式來綜合振動(dòng)從而達(dá)到減振的效果。圖2-3所示。軸3和轂盤2 相連；擰緊螺帽4，轂盤2、摩擦盤6和飛輪1通過碟形彈簧5保持一定的壓緊力。當(dāng)轂盤2跟著軸3作扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，因?yàn)轱w輪1的慣量較大，所以不能跟軸3作同步運(yùn)動(dòng)，和飛輪1相連的摩擦盤6與轂盤2兩者有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦盤6有消耗軸3扭振的作用，從而達(dá)到消減軸3振動(dòng)的效果。 1 -飛輪  2 -轂盤  3 -扭轉(zhuǎn)軸  4-螺帽  5 -彈簧  6 -摩擦盤 圖2-3 固體摩擦式減振器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig.2-3 A simple model of hydraulic shock absorber4) 沖擊減振式消振法如圖2-4 中a、b指的是沖擊式的減振鏜桿和鏜刀，兩者是通過兩個(gè)物體互相碰撞時(shí)需要損失一部分動(dòng)能的設(shè)計(jì)原理，在振動(dòng)體M上加一個(gè)質(zhì)量m充當(dāng)沖擊作用。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量m不停沖擊著振動(dòng)體M，從而消耗振動(dòng)體產(chǎn)生的能量，起到減振的效果。 a) b) 圖2-4 沖擊式減振鏜桿和鏜刀Fig.2-4 Impact type damping boring bar and cutter3 減振鏜桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)根據(jù)目前國內(nèi)外減振鏜桿比較先進(jìn)的設(shè)計(jì)思路來考慮材料與結(jié)構(gòu)對(duì)減振的影響, 進(jìn)行鏜桿的設(shè)計(jì)。3.1 減振鏜刀的桿材料選擇在設(shè)計(jì)中我們擔(dān)心的是決定減振鏜桿的材料的特性參數(shù)彈性模量與密度的值。在這個(gè)設(shè)計(jì)中我們選擇45鋼來做為桿體的材料，其中長度的單位是毫米（mm），質(zhì)量單位是千克（kg），余下的選擇國際單位，材料的選用如表3.1所示 表3-1材料彈性模量（EX）泊松比（PRXY）密度（DENS）45鋼2.07E80.37.8E-63.2 鏜桿的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文我們將選直徑為50mm，長徑比為15的桿體來進(jìn)行設(shè)計(jì)。減振桿的減振內(nèi)腔直徑為44mm，長度為330mm，通孔直徑為12mm，以便使用切削液。其結(jié)構(gòu)見圖3-1圖3-1 鏜桿桿身Fig.3-1 Boring bar shaft鏜桿的實(shí)體模型見圖3-2圖3-2 加上刀頭后的空心鏜桿Fig.3-2 After a bit hollow boring bar3.3 冷卻管的設(shè)計(jì)深孔加工中卻少不了切削液，它的選用決定著加工質(zhì)量、加工效率還有刀具的使用壽命等。結(jié)構(gòu)中冷卻管與刀頭用螺紋相接，也能夠?qū)⒌额^產(chǎn)生的振動(dòng)歸還到到頭上面，冷卻管還和橡膠墊片支撐相互照應(yīng)，對(duì)減振塊起到一定的支撐效果，使產(chǎn)生的振動(dòng)流到減振塊上面，其三維模型如圖3-3所示。圖3-3 冷卻管Fig.3-3 cooling pipe3.4 減振裝置的組成元件本文對(duì)減振鏜桿采用動(dòng)力減振的方式來進(jìn)行消振。這里包含了減振塊、阻尼元件、彈性元件等。3.4.1 阻尼液的選取阻尼液存在于減振塊與減振腔之間，它可以將系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能再由冷卻液帶走，達(dá)到減振的作用。對(duì)于阻尼材料的選取，據(jù)我們所知粘性阻尼系數(shù)對(duì)于鏜桿的減振有著相當(dāng)大的影響。所以其粘度系數(shù)就成為了選取阻尼液的一項(xiàng)指標(biāo)。這就需要求出粘性阻尼系數(shù)與阻尼液粘度系數(shù)兩者的關(guān)系。這里，需要應(yīng)用哈爾濱理工大的秦柏博士論文中的公式。運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)公式為（3-1） (3-1)式中c為粘性阻尼系數(shù)，是阻尼液與減振塊相連部分的長度，為阻尼液密度。所以彈性膠泥不失為一種不錯(cuò)的選擇，彈性膠泥是由抗壓劑、有機(jī)硅高分子化合物、填充劑等合成的一種材料。當(dāng)其狀態(tài)在室溫下為半固態(tài)時(shí)，稱為硅膠。而狀態(tài)為液體時(shí)稱其為硅油。彈性膠泥有著良好的抗老化與抗高溫的特性，而且在溫度很高的地方它的穩(wěn)定性也很好。所以，國外許多的減振刀具都使用硅油來作為阻尼材料，常見的硅油有甲基與高粘度乙基。通過研究，甲基硅在25°C的溫度下粘度是1001000000厘斯，通過計(jì)算它的阻尼范圍在1.2412400N·s|m，適于用在減振鏜刀中。3.4.2 彈性元件的選擇彈性元件在減振系統(tǒng)中也起著至關(guān)重要的作用。彈性元件在減振系統(tǒng)中將自己變形來起到緩沖振動(dòng)和傳遞力的作用。彈性元件選用的材料和形狀都會(huì)對(duì)減振產(chǎn)生一定的影響。所以在作彈性元件的選擇時(shí),就要考慮減振器所處的位置和其用途。一般的減振材料為一些有彈性的有機(jī)物、金屬、橡膠等。對(duì)于金屬彈簧，橡膠更具有彈性，緩沖性。而且，在發(fā)生振動(dòng)時(shí)發(fā)生了形變，很快會(huì)恢復(fù)原狀，此外，它還有很高的撓性，耐高溫性。因此本設(shè)計(jì)中選用彈簧橡膠來代替簡(jiǎn)易模型中的k。再根據(jù)減振鏜刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用圓形的橡膠圈更為合適?？紤]到冷卻管的存在，其內(nèi)徑定為10mm。外徑為25mm，大致形狀為圖（3-4）圖3-4 彈簧橡膠Fig.3-4 Spring rubber在這里，本文引入哈爾濱理工大學(xué)馬天宇的碩士畢業(yè)論文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他經(jīng)過多次對(duì)橡膠圈軸向長度的試驗(yàn)，確定它的值為20mm，通過試驗(yàn)可知它的徑向剛度和減震器的彈簧剛度k接近。分析如下。圖3-5彈簧橡膠受力圖Fig.3-5 force diagram of spring rubber將內(nèi)徑16mm，外徑34mm，軸向長度28mm的彈簧橡圈進(jìn)行ANSYS有限元分析，對(duì)其外徑固定，對(duì)其兩側(cè)進(jìn)行Z軸方向的固定約束，對(duì)內(nèi)徑加F=1N的X軸方向的徑向力。如圖3-6所示圖3-6 彈簧橡膠變形圖Fig.3-6Deformation of the figure of spring rubber所以得到彈簧橡圈的徑向剛度值為 (3-2)因?yàn)閺椈上鹑χ芜@減振塊，所以將此橡圈分為軸向長度為14mm的兩個(gè)橡膠圈。3.4.3 減振塊的選擇減振塊的形狀設(shè)計(jì)在這里我們要根據(jù)鏜桿的形狀來確定，考慮到需要將減振塊放在桿的內(nèi)部，因此設(shè)計(jì)減振塊為圓柱體。一般國外生產(chǎn)的減振鏜桿選擇密度比較大的材料來制作減振塊。原因是，鏜桿里面的空間是有限的。在本設(shè)計(jì)中選用兩端支撐的方式來托起減振塊，讓它在桿中懸空。其大致結(jié)構(gòu)如圖3-7所示圖3-7 減振塊Fig.3-7 Vibration attenuation block在桿體體積限制的情況下，我們選擇硬質(zhì)合金YL10.1作為本次設(shè)計(jì)的材料。我們初步將尺寸確定為外徑D=41mm，內(nèi)徑d=18mm。軸向長度為。3.5 減振鏜桿內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)減振鏜桿內(nèi)部主要由：刀頭、桿身、彈簧橡膠、減振塊、冷卻管、阻尼液、密封O型圈等幾部分構(gòu)成。它的三維模型如下圖3-8所示，桿體內(nèi)的裝配圖如3-9所示。圖3-8 減振鏜桿的三維模型4Fig.3-8 3d model of damping boring bar圖 3-9 減振鏜桿的整體裝配圖Fig.3-9 Damping boring bar assembly darwing3.6 刀頭的設(shè)計(jì)現(xiàn)有的產(chǎn)品一般都采用輕質(zhì)鋁合金來作為制作刀頭的材料，還有許多的生產(chǎn)商去優(yōu)化結(jié)構(gòu)的刀頭，從而來減輕刀頭質(zhì)量，將鏜刀整體達(dá)到想要的減振效果。在本課題中我們選用鋁合金的刀頭。4 動(dòng)力減振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在分析動(dòng)力減振鏜桿的振動(dòng)特性的時(shí)候，我們主要抓住其中主要的部分去分析，略去那些次要因素,分析的第一步，我們將實(shí)際力學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)化與抽象成一般的力學(xué)模型來做分析4。在本設(shè)計(jì)中我們可以將系統(tǒng)整體上化分成質(zhì)量元件、彈性元件與阻尼元件這三塊小系統(tǒng)。在將這三個(gè)小系統(tǒng)的簡(jiǎn)單力學(xué)模型合成振動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。4.1 動(dòng)力減振鏜桿系統(tǒng)的力學(xué)模型本篇設(shè)計(jì)我將選用物理參數(shù)模型去建立鏜桿減振系統(tǒng)中的模型。在分析前我們先確定分析的基本組成部分。在這個(gè)減振系統(tǒng)中我們提取出了質(zhì)量、彈性、阻尼這三大元件。我們將他們看作是理想化的元件在系統(tǒng)中。1）質(zhì)量元件 質(zhì)量元件是減振中不可少的元件。要使質(zhì)量元件在小空間得到大質(zhì)量的要求，材料的選擇就需要高密度的材料制成。在鏜桿的減振系統(tǒng)力學(xué)模型中,質(zhì)量元件需要由無彈性、不耗能的剛體來代替5。 圖4-1 質(zhì)量元件Fig.4-1 The Quality component 質(zhì)量元件在減振系統(tǒng)中作為儲(chǔ)存動(dòng)能的元件，能夠?qū)a(chǎn)生的振動(dòng)吸收并且轉(zhuǎn)換為自己的動(dòng)能。在系統(tǒng)中，當(dāng)質(zhì)量元件因?yàn)檎駝?dòng)受到作用力F時(shí)，根據(jù)牛頓第二定律,產(chǎn)生加速度a,方向且與力F相等。因此質(zhì)量元件上的力與加速度兩者之間的關(guān)系式為： F=ma （4-1）式中，m質(zhì)量元件的質(zhì)量,它也是質(zhì)量元件慣性的度量 2）彈性元件 在鏜桿的減振系統(tǒng)力學(xué)模型中,彈性元件需要被當(dāng)做是沒有質(zhì)量但是具有彈性的一種元件,彈性元件作為一種儲(chǔ)存勢(shì)能的元件，它能將外界的振動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)成多次小量的振動(dòng)沖擊。一般來說單憑彈性元并不能夠消化振動(dòng),所以還它必須結(jié)合耗能元件使用才能實(shí)現(xiàn)減振的效果。 圖4-2 彈性元件Fig.4-2 The elastic element 如圖所示將彈性元件一端固定,當(dāng)另外一端受到作用力F的時(shí)候,它的自由端就會(huì)沿 力F的方向發(fā)生位移X,力和位移兩者之間的關(guān)系式如下: F=k X （4-2）式中，k彈性元件的剛度 3）阻尼元件 減振系統(tǒng)中阻尼元件需要抽象為沒有質(zhì)量、沒有彈性、但有阻尼系數(shù)的一種元件。在減振系統(tǒng)中阻尼元件通過耗能來起到減振效果。圖4-3 阻尼元件Fig.4-3 The damping component如圖所示將阻尼元件一端固定,當(dāng)另外一端受到作用力F的時(shí)候，這一邊就會(huì)以V的速度做運(yùn)動(dòng)。于是阻尼力和速度這兩者之間的關(guān)系式如下: F=c V （4-3）式中，c阻尼器的粘性系數(shù) 4.2 建立動(dòng)力減振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析模型當(dāng)對(duì)動(dòng)力減振系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，我們需要先建立起減振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型。在本設(shè)計(jì)的前一節(jié)已經(jīng)對(duì)各個(gè)元件進(jìn)行了簡(jiǎn)單的力學(xué)模型分析，現(xiàn)在，我們就需要將這些力學(xué)模型轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。最后通過數(shù)學(xué)分析的手段對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行振動(dòng)的特性分析。設(shè)計(jì)中減振系統(tǒng)基本是刀桿與一個(gè)減振單元的組合,結(jié)合前面圖2-2減振系統(tǒng)的簡(jiǎn)單模型進(jìn)行分析。圖4-4 動(dòng)力減振鏜桿的力學(xué)模型Fig. 4-4 Mechanics model of dynamical vibration absorption boring bar圖4-4中:ml鏜桿桿體的等效集中質(zhì)量；m2減振質(zhì)量塊的質(zhì)量；k1鏜桿桿體的等效剛度；k2減振系統(tǒng)中彈性元件的彈性系數(shù)；c阻尼元件的阻尼系數(shù)；F激振力幅值；W激振頻率；x1鏜桿在激振力作用下的位移；X2減振質(zhì)量塊在激勵(lì)力作用下的位移。4.3 建立動(dòng)力減振鏜桿的數(shù)學(xué)模型質(zhì)量單元1的受力微分方程： (4-5)質(zhì)量單元2的受力微分方程： (4-6)振動(dòng)系統(tǒng)的微分方程矩陣： (4-7)4.4 本章小結(jié)本章一開始先對(duì)動(dòng)力減振鏜桿的減振原理進(jìn)行了分析。然后，分別詳細(xì)的對(duì)減振系統(tǒng)中三大元件進(jìn)行了分析和模型的建立。最后通過這些小系統(tǒng)對(duì)減振鏜桿建立起了力學(xué)分析模型,經(jīng)過相關(guān)的力學(xué)知識(shí)對(duì)力學(xué)模型建立動(dòng)力學(xué)方程,利用數(shù)學(xué)分析對(duì)減振系統(tǒng)進(jìn)行了分析求解,最終得出了減振系統(tǒng)的微分方程。5 結(jié)論與展望5.1 全文總結(jié)本篇設(shè)計(jì)根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的減振鏜桿的研究成果，設(shè)計(jì)出自己較為理想的減振鏜桿的基本模型，減振鏜桿內(nèi)部大致由減振塊，彈性元件橡膠圈，阻尼元件等部分組成。設(shè)計(jì)大致分為了四部分：（1） 第一部分，我收集了國外大公司減振鏜桿的設(shè)計(jì)，分析了各個(gè)鏜桿的設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用的材料等，為自己的設(shè)計(jì)做出了很大的鋪墊。（2） 第二部分，在這里我將振動(dòng)的原理，產(chǎn)生的原因分析了很多，將振動(dòng)的根源掌握，結(jié)合現(xiàn)有的減振措施，選擇出適合自己設(shè)計(jì)振動(dòng)的措施。（3） 最重要的一部分，那就是初步設(shè)計(jì)，綜上所述，我選擇了動(dòng)力減振措施，分部設(shè)計(jì)，并將每部分做出了力學(xué)分析。（4） 最后將這些力學(xué)分析綜合得出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。5.2 展望經(jīng)過幾個(gè)月的努力和不斷學(xué)習(xí)，本設(shè)計(jì)完成了對(duì)減振鏜桿的設(shè)計(jì)和分析，對(duì)減振系統(tǒng)做出了力學(xué)分析和數(shù)學(xué)模型分析，將基本結(jié)構(gòu)通過CAD軟件展現(xiàn)了出來，動(dòng)力減振這種減震措施結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尤其適用于大長徑比的鏜桿，有著很大的發(fā)展前景，我們還需要進(jìn)行更加飽滿，充分的研究，因?yàn)闀r(shí)間的問題,設(shè)計(jì)雖然有了上述的研究成果,可還有更深的問題需要我們進(jìn)一步解決： 1) 動(dòng)力減振鏜桿的制造工藝和制造。 2) 動(dòng)力減振鏜桿中阻尼和動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 3) 動(dòng)力減振鏜桿的尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。參 考 文 獻(xiàn)1 朱垂岱,龐學(xué)慧,張余生等.顆粒阻尼鏜刀桿減振分析與試驗(yàn)研究J.制造技術(shù)與機(jī) 床,2014,(10)2 王軍,吳鳳和,韓亞麗等.層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)鏜刀桿設(shè)計(jì)與性能研究J.中國機(jī)械工 程,2013,24（6）3 王建,丁國富,張海峰等.減振鏜刀切削加工試驗(yàn)研究J.中國測(cè)試,2009,35（6）4 曾海波,羅紅波,李紅梅.阻尼合金消耗因子對(duì)鏜桿減振性能的影響J.組合機(jī)床與自 動(dòng)化加工技術(shù),2011,（8）5 胡李波,王民，李剛.動(dòng)力減振鏜桿的減振性能研究J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009,（1）6 石曉龍,龐學(xué)慧.鏜刀刀桿減振分析與試驗(yàn)研究J.內(nèi)燃機(jī)與配件,2015,（11）7 張海生,周麗平,劉小瑩.切削參數(shù)對(duì)內(nèi)置式減振鏜桿振動(dòng)影響的研究J. 機(jī)械設(shè)計(jì)與 制造, 2013（5）8 王蘭波,張志軍.單自由度高頻減振鏜桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)J.新技術(shù)新工藝,2010,(12)9 劉立佳,劉獻(xiàn)禮,許成陽等. 減振鏜桿振動(dòng)控制研究綜述J.哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 報(bào),2014,19(2)10 夏峰,劉戰(zhàn)強(qiáng),宋清華.約束阻尼型減振鏜桿J.航空學(xué)報(bào).2014.35(9)11 秦柏,邵俊鵬. 重型數(shù)控機(jī)床深孔加工動(dòng)力減振鏜桿的設(shè)計(jì)與仿真J.哈爾濱理工 大學(xué)學(xué)報(bào).2006,11(1)12 王雪慶,嚴(yán)東明.減振鏜桿國內(nèi)外專利技術(shù)分析J.化工管理.2015,(20)13 李紅梅,羅紅波.減振鏜桿裝夾位置對(duì)減振性能的影響J.工具技術(shù).2010,44(4)14 張杰斌,張湧.減振原理在鏜桿上的應(yīng)用J.機(jī)械工人。2004,(11)15 王明紅,張宗城,唐勤生等.機(jī)械加工工藝系統(tǒng)振動(dòng)與新型阻尼鏜桿J.2003,17(4)16 王艷萍,陳云鵬,運(yùn)同樹.鏜刀桿的減振分析與設(shè)計(jì)R.北京:齊齊哈爾第一機(jī)床 廠.2005.9.117 吳天行,華宏星.機(jī)械振動(dòng)M.北京:清華大學(xué)出版社,2014.04.0118 馬志偉.基于顆粒阻尼的減振刀具技術(shù)基礎(chǔ)研究D.太原:中北大學(xué),碩士學(xué)位論 文.201319 韋聯(lián).減振鏜桿的動(dòng)力學(xué)仿真及其參數(shù)優(yōu)化D.成都:西華大學(xué),碩士學(xué)位論文.201120 任棟.顆粒阻尼減振鏜桿減振分析及試驗(yàn)研究D.太原:中北大學(xué),碩士學(xué)位論 文.201421 李紅俊.復(fù)合結(jié)構(gòu)減振鏜桿設(shè)計(jì)D.秦皇島:燕山大學(xué),碩士學(xué)位論文.200922 杜景軒.大長徑比阻尼減振刀具設(shè)計(jì)理論與實(shí)驗(yàn)研究D.太原:中北大學(xué),碩士學(xué)位 論文.201323 吳濤.大長徑比減振鏜桿的研究D.安徽:安徽大學(xué),碩士學(xué)位論文.201524 秦柏.深孔加工動(dòng)力減振鏜桿的動(dòng)力學(xué)仿真與參數(shù)化分析D.哈爾濱:哈爾濱理工 大學(xué), 碩士學(xué)位論文.200625 許成陽.深孔加工用鏜桿減振性能的研究D.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),碩士學(xué)位論 文.201526 夏峰.約束阻尼型減振鏜桿的研制與開發(fā)D.山東:山東大學(xué),碩士學(xué)位論文.201427 張克東.減振刀桿的研制與開發(fā)D.吉林:長春理工大學(xué),碩士學(xué)位論文.200328 理根,岳鵬,陳華偉等.帶減震裝置的鏜刀P.中國專利,CN201420094342.X,2014.8.13致 謝本篇設(shè)計(jì)是在黃曉斌老師耐心的指導(dǎo)、幫助下完成的。在這里我先對(duì)黃老師由衷地說一聲謝謝！黃老師在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中總是用心地引導(dǎo)我們，在剛寫開題報(bào)告的時(shí)候，我一點(diǎn)思路也沒有。但是，黃老師總是耐心地引導(dǎo)我，漸漸地我有了自己的構(gòu)想。黃老師在日常也特別地和藹，和我們說一些鼓勵(lì)的話語，讓我們?cè)谧稣n題的時(shí)候沒有壓力，能夠輕松地說出自己的想法。在此，向黃老師送上自己最崇高，真誠的謝意。感謝設(shè)計(jì)中同學(xué)、老師、家人和朋友對(duì)我的幫助！也特別感謝中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院這四年來的培養(yǎng)，感謝學(xué)院老師對(duì)我的指引和教誨！還特別感謝進(jìn)行評(píng)審和答辯的老師和專家們！謝謝你們！34